Nota: Este astrobito es una traducción al español del artículo “Drop the Bass: Evidence for a Gravitational Wave Background from a Galaxy-sized Detector”, escrito por Lucas Brown, Graham Doskoch, William Lamb, Phia Morton, Brent Shapiro-Albert y Haley Wahl. El astrobite original está escrito por personas pertenecientes a astrobites y NANOGrav. Casi 200 personas de la colaboración NANOGrav, junto con colegas de otras matrices de temporización de púlsares de todo el mundo han estado trabajando durante décadas para obtener estos resultados. Este astrobito apenas araña la superficie de las implicaciones de estos resultados.
Crédito imagen portada: Olena Shmahalo/NANOGrav
- Título del artículo original: The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background
- Autoras/es: Colaboración NANOGrav
- Estado de la publicación: publicado en The Astrophysical Journal Letters [acceso abierto]
Las ondas gravitacionales se han convertido en un componente esencial de la investigación astrofísica. Se detectaron por primera vez en la década de 1970, aunque de manera indirecta debido a su efecto en el periodo orbital del famoso púlsar Hulse-Taylor. No fue hasta cuarenta años después cuando el Observatorio de ondas Gravitatorias por Interferometría Láser (LIGO, por sus siglas en inglés) y la Colaboración Virgo detectaron una señal de ondas gravitacionales de forma directa, procedente de los últimos instantes antes de la fusión de dos agujeros negros de masa estelar. Desde entonces, los detectores de ondas gravitacionales (incluyendo LIGO, Virgo y KAGRA, trío conocido como LVK) han descubierto decenas de estos eventos, abriendo las puertas a un apasionante campo de la astronomía.
Sin embargo, aunque las detecciones de LVK pueden proporcionar mucha información sobre la población de agujeros negros de masa estelar, estos observatorios no pueden detectar ondas gravitacionales de cualquier frecuencia. Por poner un símil, es como si observamos el cosmos sólo en luz visible, sin acceso al infrarrojo, microondas, rayos x u otras longitudes de onda: nos estamos perdiendo mucha información. Así que para conseguir acceder a las ondas gravitacionales de menores frecuencias, las colaboraciones de todo el mundo utilizan matrices de temporización de púlsares (PTAs, por las siglas en inglés de “pulsar timing array”).
Los PTAs son detectores de ondas gravitacionales basados en grupos de púlsares, lo que permite simular observatorios tan grandes como una galaxia. La idea es que cuando una onda gravitacional pasa entre la Tierra y la matriz de púlsares, el espaciotiempo se estira y se contrae. Y estas deformaciones hacen que los pulsos procedentes de los púlsares, habitualmente muy regulares, se retrasen o adelanten, permitiendo a la comunidad astrofísica deducir el paso de una onda gravitacional. El 28 de junio de este año, el Observatorio Norteamericano de Nanohercios para Ondas Gravitacionales (NANOGrav, por sus siglas en inglés), junto con otros PTAs de todo el mundo, anunció que el uso de este método revela evidencias de la existencia de un fondo de ondas gravitacionales de baja frecuencia, lo que expande las fronteras de la astronomía de ondas gravitacionales.
La serie de datos de 15 años de NANOGrav
Los PTAs requieren mucha, mucha paciencia. Las ondas gravitacionales de frecuencias de nanohercios pueden aparecer en los detectores de dos formas: como una fuente individual (como un agujero negro supermasivo), o como un fondo estocástico (estadísticamente aleatorio) que sería la suma de diversas fuentes de ondas gravitacionales del Universo. Estas ondas tienen periodos del orden de años a décadas, así que investigarlas requiere observar púlsares durante escalas de tiempo similares. Así, la nueva serie de datos de la colaboración NANOGrav fue obtenida a lo largo de 15 años. Por ponerlo en perspectiva, algunes estudiantes de doctorado de la colaboración aún estaban en el jardín de infancia cuando se obtuvieron los primeros datos.
NANOGrav monitorea actualmente unos 80 sistemas, concretamente los llamados púlsares de milisegundos (MSPs, por sus siglas en inglés) que rotan unas 100 veces por segundo. La serie de datos de la que hablamos incluye 68, formando un maravilloso y estrafalario zoológico (Figura 1). Está, por ejemplo, el preciso pero travieso J1713+0747, el extremadamente masivo J0740+6620 o incluso B1937+21, el primer MSP que se descubrió.
Observar regularmente estos púlsares, cada 3-4 semanas en la mayoría de los casos, requiere de muchos telescopios. De hecho, esta colaboración utiliza el Telescopio Green Bank (GBT), el Observatorio Arecibo (AO) y el Very Large Array (VLA), entre otros, lo que le permite monitorear púlsares más a menudo y en una mayor región del cielo.
Bajando con Hellings y Downs
Un fondo de ondas gravitacionales producirá desviaciones en los tiempos de llegada de los pulsos debido a la variación de la distancia entre la Tierra y los púlsares. La amplitud del fondo en cada frecuencia puede obtenerse del espectro de potencias de estas desviaciones, pero hay que tener en cuenta que otras fuentes de ruido podrían estar contaminando la señal. Sin embargo, los retrasos en los pulsos de dos púlsares deberían estar correlacionados con su separación angular en el cielo, lo que se llama correlación Hellings-Downs. Ninguna fuente de ruido conocida puede imitar este patrón, por lo que esta correlación se puede considerar el “santo grial” de las técnicas PTA. Datos previos recopilados por NANOGrav ya mostraban un espectro de tipo “ley de potencias”, tal como se esperaría de un modelo simple de fondo de ondas gravitacionales. Sin embargo, en aquellos datos apenas había indicios de la correlación Hellings-Downs.
La nueva serie de datos de NANOGrav revela también una ley de potencias (Figura 2), y en este caso sí parece seguir la curva Hellings-Downs (Figura 3). Así que estos resultados pueden interpretarse como evidencia de que efectivamente existe un fondo estocástico de ondas gravitacionales de nanohercios. Semejante resultado abre la puerta a una nueva banda de observación astrofísica, ya que por primera vez escuchamos las notas “graves” de la sinfonía de ondas gravitacionales del cosmos. Es importante mencionar que los datos que han hecho posible estos resultados se han obtenido gracias a la mayor sensibilidad de las PTAs que proporcionan un mayor tiempo de observación y mayor número púlsares.
¿Física nueva, o clásica?
Gracias a estos resultados, podemos decir que ya tenemos evidencias de la existencia de un fondo de ondas gravitacionales. Pero, ¿qué lo produce? La teoría sugiere varias fuentes que podrían generarlo, así que NANOGrav estudia qué modelos son más factibles de acuerdo con sus datos.
Una de las principales candidatas es el conjunto de sistemas binarios de agujeros negros supermasivos (SMBHB, por sus siglas en inglés), ya que emiten ondas gravitacionales de nanohercios mientras se orbitan cada vez más cerca. Sin embargo, esta emisión no es suficiente como para que lleguen a fusionarse en escalas de tiempo de la edad del Universo (lo que se conoce como “problema del parsec final”). Pero el hecho es que ya conocemos galaxias cuyos centros contienen un sólo agujero negro, así que estas fusiones deben producirse. Se necesita entonces el apoyo de otros procesos, como podría ser la interacción con un disco de gas u otras estrellas próximas. Comparar los datos de PTAs con modelos de agujeros negros en escenarios de este tipo permite aprender cómo se forman los SMBHB y cómo evolucionan las galaxias (Figura 4). Así, NANOGrav revela que la población conjunta de estos sistemas podrían producir una señal de fondo como la que observan en sus datos, pero se necesitan más análisis para determinar los parámetros astrofísicos y modelos concretos.
Una alternativa también investigada por NANOGrav es que se trate de un SMBHB concreto, ya estando relativamente cerca podría producir una señal de ondas gravitacionales más fuerte que el fondo a una frecuencia específica. Si fuese el caso, estos datos pueden compararse con las observaciones multimensajero de candidatos a SMBHB y aportar información sobre la población de SMBHBs del Universo, sus procesos de acreción o la relacion de masa entre la galaxia y su agujero negro. NANOGrav determina que no hay evidencias de la existencia de un SMBHB individual en sus datos, pero aclara que no podrían detectar ningún sistema de este tipo con mil millones de masas solares a más de 10 megaparsecs de la Tierra.
Otra explicación para la señal de NANOGrav requeriría la física conocida como “más allá del Modelo Standard” (BSM, por sus siglas en inglés): modelos teóricos que introducen nueva física para intentar unificar el Modelo Estándar y la relatividad general en una gran Teoría del Todo. Varios fenómenos predichos por estas teorías podrían dar lugar a ondas gravitacionales de nanohercios, incluyendo cuerdas cósmicas, transiciones de fase de primer orden y ondas gravitacionales del Universo temprano. NANOGrav encuentra que la señal de fondo podría explicarse con algunos de estos modelos o incluso con combinaciones de modelos de SMBHBs y BSM.
Aunque se necesitan más análisis y datos para distinguir la fuente del fondo de ondas gravitacionales, determinar cómo de isótropa es la señal puede ayudar. Esto es debido a que mientras los modelos BSM darían lugar a un fondo isótropo con la misma potencia en todas direcciones, un fondo astrofísico sería anisótropo debido a que hay número discreto de SMBHBs en el Universo. Sin embargo, NANOGrav no encuentra evidencias significativas a favor ni en contra de la anisotropía en sus datos.
Una nueva era en la astronomía de ondas gravitacionales
Por primera vez disponemos de evidencias significativas de las largamente esperadas correlaciones Hellings-Downs, predichas para un fondo estocástico de ondas gravitacionales. Sin embargo, aún hay mucho por aprender.
Afortunadamente, NANOGrav no es la única colaboración que investiga ondas gravitacionales de baja frecuencia. Otras cuatro colaboraciones PTA anunciaron también en junio sus resultados más recientes: el PTA de Parkes, el PTA Europeo (EPTA, que también incluye algunos datos del PTA Hindú, InPTA) y el PTA Chino (CPTA). Al igual que NANOGrav, las cuatro encuentran diversos grados de evidencia de la existencia del fondo estocástico de ondas gravitacionales. El hecho de que todos estos PTA (que utilizan telescopios, púlsares y técnicas de análisis diferentes) lleguen a conclusiones similares indica que apenas estamos empezando a explorar esta nueva era de la astronomía.
Nota de traducción: al traducir cualquier texto, las traducciones literales no siempre capturan bien el significado de modismos y frases hechas. En casos como este, como traductores hacemos nuestro mejor esfuerzo para mantener el espíritu del artículo original, y no tanto el significado literal de las palabras. También intentamos proporcionar enlaces a conceptos en el idioma traducido en lugar de en el original, siempre que sea posible. De este modo queremos reconocer la naturaleza de nuestras traducciones como una colaboración entre les autores originales y les traductores.
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